Reference : Etude et Modélisation de la contribution des macrophytes flottants (Lemna minor) dans...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Life sciences : Environmental sciences & ecology
http://hdl.handle.net/2268/174005
Etude et Modélisation de la contribution des macrophytes flottants (Lemna minor) dans le fonctionnement des lagunes naturellles
French
Tangou Tabou, Thierry mailto [Université de Liège - ULiège > > > Form. doct. sc. (sc. & gest. env. - Bologne)]
18-Dec-2014
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Doctorat en Sciences, groupe : Sciences et Gestion de l'Environnement
225
Vasel, Jean-Luc mailto
Musibono Eyul'Anki, Dieudeonné mailto
Tychon, Bernard mailto
Andre, Philippe mailto
Vandevenne, Louis mailto
Koné, Doulaye mailto
[fr] Lemna minor ; biomasse ; traitement d'images ; substance nutritive ; biomole ; transferts gaz/liquide
[en] modèle
[fr] Le lagunage à macrophytes flottants, procédé rustique d'épuration, constitue l'une des alternatives adéquates du traitement des eaux usées dans les pays en développement en général, et en République Démocratique du Congo en particulier. Plusieurs organismes (par exemple, les bactéries, les protozoaires, les algues, les plantes aquatiques) sont impliqués dans les processus d'épuration dans la lagune. La qualité du rendement de cette écotechnologie décentralisatrice dépend ainsi fortement de la gestion de la biomasse végétale présente dans les bassins d'épuration. En effet, un excès (ou une carence) de celle-ci pourrait entraver les rendements épuratoires et engendrer des conséquences néfastes dans l'écosystème environnant (faune, flore, riverains,...). De ce fait, la gestion optimale de ces bassins, et plus particulièrement de la biomasse des macrophytes flottants, permettrait d'éviter ces dysfonctionnements. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui porte sur l'étude et la modélisation de la contribution des macrophytes flottants, notamment les lentilles d'eau (Lemna minor), dans le fonctionnement des lagunes naturelles. Différents axes ont ainsi été abordés pour répondre à cet objectif général : (1) la modélisation de la cinétique de croissance de Lemna minor en fonction des paramètres du milieu; (2) l'étude de la stœchiométrie de croissance de Lemna minor et celle des phénomènes des transferts gaz/liquide dans les bassins; et (3) la conceptualisation du modèle de lagunage par lentilles d'eau (MLLE), inspiré de River Water Quality Model N°1 (RWQM1). L'approche bilan de matière basée sur la matrice de Petersen a été appliquée dans la démarche de la modélisation.
L’étude de la cinétique de croissance des lentilles d'eau a été menée à l'échelle pilote par le suivi de la biomasse végétale selon les méthodes gravimétriques (masse humide/sèche) et l'analyse d'images numériques. Les résultats des essais cinétiques ont montré que la croissance de Lemna minor est optimale à des teneurs respectives en azote ou phosphore avoisinant 10 mg.N-NH4+.L-1 et 1 mg P-PO43-.L-1, respectivement. Le taux de croissance maximum obtenu est autour de 0.09 j-1. Cette croissance connait toutefois une chute progressive à partir de 16 mg N-NH4+•L-1 et de 6 mg P-PO43-•L-1, suite à la limitation des teneurs en nutriments et une possible inhibition due à un excès de substrats à des teneurs plus élevées. Par ailleurs, dans les essais à luminosité variable, il s'est avéré qu'au-delà de 450 µmol.m-².s-1, l'intensité lumineuse devient nuisible pour les plantes (chute brutale de 60% du taux de croissance) malgré un faible taux de mortalité enregistré (b < 0.05 j-1). Ces différents résultats ont permis la proposition d'un modèle cinétique de croissance de Lemna minor en fonction des teneurs en azote et en phosphore, du pH, de l'intensité lumineuse, et de la température.
L'étude de la stœchiométrie de croissance des lentilles d'eau a conduit à la mise au point de la biomole de la plante (C88H163O70N10P) et au développement des réactions biochimiques qui se déroulent dans le bassin à lentilles d'eau, ainsi qu'à la détermination des taux de conversion des substrats en biomasse dans chacune de ces réactions (processus). La nullité des bilans DCO (demande chimique en oxygène) dans ces processus a confirmé la conservation de la matière dans le modèle stœchiométrique développé.
Les essais d'aération réalisés dans le pilote ont également montré l'influence de la couverture végétale sur les paramètres de transferts gaz/liquide. Les coefficients de transfert, les capacités d'oxygénation et les apports horaires décroissent de manière exponentielle avec l'augmentation du taux de couverture aussi bien en absence qu'en présence des plantes. L'hypothèse du rejet majoritaire d'oxygène (consommation du dioxyde de carbone) par les lentilles d'eau vers l'atmosphère (environ 80%) a aussi été confirmée par les essais de bilan en oxygène.
Des précédents résultats sur les processus biochimiques (cinétique et stœchiométrie de croissance et mortalité des plantes) et les processus physiques [transferts gaz/liquide (O2, CO2)], un modèle mathématique du lagunage à lentilles d'eau (i.e., MLLE) a été conceptualisé (développé). L'impact des teneurs en nutriments (azote et phosphore) sur la croissance des lentilles d'eau, ainsi que l'influence de la libération (consommation) de l'oxygène (dioxyde de carbone) par ces plantes sont suivis à travers les différentes équations de bilan de masse des variables d'état du modèle. La validité du modèle mathématique a été ainsi vérifiée par l'équilibre de la matrice de Petersen. Les simulations à travers le logiciel WEST® (World Wide Engine for Simulation, Training and Automation) constituent une piste pour le calage, la validation et la transposition du modèle ainsi développé.
Mots clés: Lemna minor, biomasse, traitement d'images, substance nutritive, biomole, transferts gaz/liquide, modèle
[en] Waste stabilization ponds (WSP) are widely used in the treatment of domestic and industrial wastewaters in industrialized countries and in developing countries including the Democratic Republic of Congo. Several organisms (e.g., bacteria, algae, protozoa, and aquatic plants) are involved in the treatment process occurring in the WSP. Therefore, the performance of such systems strongly depends upon the management of the existing macrophytes (or at least the management of the most dominant species). Indeed, large biomass coverage of floating macrophytes can induce several dysfunctions within the ponds (e.g., second pollution due to the death and the settling of the macrophytes, difficulties in harvesting valuable biomass for animal feeding or pharmaceutical purposes, etc.) and can threaten the surrounding ecosystems (i.e., fauna and flora) through the releases of partially or unpurified waters. This study aimed at investigating the contribution of floating macrophytes, namely that of duckweed (Lemna minor), which are the most common species, in the functioning of natural WSP. Specifically, the objectives were: (i) the modeling of the growth kinetics of Lemna minor based on the key environmental influencing factors (nutrients concentrations, light intensity, pH, temperature); (ii) the characterizations of the stoichiometry of the growth of Lemna minor and the gas/liquid transfers in the ponds; and (iii) the set-up of a mathematical model, i.e. the MLLE (Modèle de Lagunage par Lentilles d'eau) through the mass balances approach based on the Petersen’s matrix.
The study of the growth kinetics of L. minor was carried out in a growth chamber (phytotron) using a pilot involving initial fresh L. minor biomass and different set of concentrations in nutrient nitrogen (N) and phosphorus (P), light intensity, pH, and temperature. The growth was monitored using the gravimetric methods and digital images processing. The results showed that the growth of L. Minor was optimum for concentrations of N and P of circa 10 mg N-NH4+.L-1 and 1 mg P-PO43-.L-1, respectively, with a maximum growth rate of approximately 0.09 j-1. However, the growth decreased progressively when the respective concentrations of N and P reached approximately 16 mg N-NH4+L-1 and 6 mg P-PO43-.L-1. A possible inhibition due to the excess of substrates might be the cause of such decrease. Moreover, a light intensity greater than 450 μmol.m-².s-1 was potentially harmful for L. minor surviving (growth rate dropped by 60%), though the mortality rate was low (< 0.05 j-1).
Characterizing the stoichiometry of L. minor resulted in the formulation of the plant biomol (C88H163O70N10P) and the description of biochemical processes occurring within the ponds, as well as the determination of the conversion rates substrate-biomass in each of these processes. The Lavoisier's principle (conservation of the matter) also was confirmed for the stoichiometric relationship developed for chemical oxygen demands through our experiments. Furthermore, the aeration test assays revealed the influence of the biomass coverage on the gaz/liquid transfers parameters. An exponential decrease of the transfer coefficients, the oxygenation capacity and hourly inputs was associated with increasing coverage rates in both absence and presence of plants. The hypothesis of a main release (about 80%) of oxygen (consumption of carbon dioxide) toward the atmosphere was also confirmed.
The third fold of our study was then undertaken based on our findings on the biochemical processes (kinetics and stoichiometry of growth and mortality of plants) and findings on physical processes (gas/liquid transfer) occurring in WSP. A mathematical model, the MLLE, was thus developed and its validity assessed through the equilibrium of the Petersen's matrix. The impact of key nutrients (i.e., nitrogen and phosphorus) on the growth of duckweed, along with the influence of the release of oxygen (consumption carbon dioxide) by the floating macrophytes (L. minor) can be, therefore, thoroughly assessed based on the state variables of the model. Additional simulations using the West® (World Wide Engine for Simulation, Training and Automation) software could help in further calibrating and/or validating the MLLE, and guide in its implementation for industrial purposes.
Keywords: Lemna minor, biomass, image processing, nutrient, biomole, gas/liquid transfer, model
http://hdl.handle.net/2268/174005

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